Methode zur Bestimmung der Mischung für hohe Rußmassenströme

Methode zur Bestimmung der Mischung für hohe Rußmassenströme
Ein Rußpartikelstrom aus einem Generator wird in einer Tunnelstrecke mit einem partikelfreien
Luftstrom verdünnt. Einhergehend mit der experimentellen Entwicklung wurden zahlreiche
geometrische Grundanordnungen der
Verdünnungsstrecke untersucht. Deren
charakteristische Eigenschaft ist eine
dreifache gerade Einlassanordnung, wie
sie in Abb. 1 gezeigt wird. Neben dem
frontalen
Haupteinlass
(Rußpartikelstrom)
stehen
2
symmetrisch
angeordnete
Nebeneinlässe
(partikelfreie
Luftströme) zur Verfügung, über die mit
dem jeweils gleichen Volumenströmen
die Verdünnungsluft zugeführt wird. Die
Flussrichtung ist von links nach rechts,
unterschiedliche Eintrittswinkel von 60°,
90° und 120° der Zuführungen sind in
der ZY-Ebene dargestellt.
Nach einer 3-dimensionalen HexaederVernetzung werden
durch RANS
Simulationen
die
Navier-Stokes
Gleichungen (NSG) unter Zuhilfenahme
eines empirischen Turbulenzmodells (SST) im stationären Fall gelöst. Dabei wird der Zustand des
Systems als isothermal und inkompressibel angenommen. Zur Modellierung wurde eine endliche
Anzahl von Querebenen in der Auslaufstrecke herangezogen, auf denen jeweils die normierte
Varianz der Massenfraktion berechnet wurde. Der Wert des Massenflusses ξ=1 entspricht einem
Anteil von 100%. Der Anteil des zweiten Gasmassenflusses entspricht dem Komplement. Alternativ
ist die zentrale Mischstelle ohne eine umschließende kugelförmige Kontur ausgeführt worden.
Insgesamt wurden 8 Eintrittswinkel (60° bis 130°) sowohl für die kugelförmige Umschließung als auch
für die Mischkammer ohne Kugelkontur simuliert.
Abbildung 1 Konturplots der Massenfraktion ξ in der ZY-Ebene mit
kugelförmiger Mischkammer und für 3 verschiedene Winkel von α =
60◦, 90◦, and 120◦. Die Flussrichtung sit von links nach rechts.
Ergebnisse für das Rußmassen- und Opazitätsnormal
Als ein Teilergebnis wurde ermittelt, dass der Mischer ohne Kugel eine geringfügig bessere
Mischungsfähigkeit aufweist. In Abbildung 2 ist die in z-Richtung stromabwärts berechnete normierte
Varianz
(intensity of segregation) aufgetragen. Mit
ist ein Schwellwert von 10% des
auftretenden Maximalwertes bezeichnet. Je früher dieser Wert erreicht wird, desto besser ist die
Mischungsfähigkeit der Anordnung. Weiterhin ist zu beobachten, dass stumpfere Anstellwinkel in der
Mischzone mehr Turbulenz hervorrufen, die zu einer schnelleren Homogenisierung führen. Bei 130°
wird die schnellste Unterschreitung des gesetzten Schwellwertes erreicht.
Abbildung 2: Räumlicher Verlauf der Vermischung, dargestellt durch die normierte Varianz I_s, für geraden Mischer ohne
Kugel (links) und mit kugelförmiger Umschließung (rechts).
Methode zur Bestimmung der Mischung für kleine Rußmassenströme
In der finalen Ausbaustufe der Rußpartikelkonditionierung für das Partikelanzahlnormals wurde die
Dimensionierung streng nach den Erfordernissen der zum Einsatz kommenden Technik (Engine
Exhaust-Kondensationspartikelzähler) angepasst. Daher wird ein geringerer Volumenstrom des
Trägergases benötigt, da in vielen Fällen eine direkte Messung an der Emissionsquelle, wegen hoher
Temperaturen und hohen Geschwindigkeiten des Abgasstromes nicht möglich ist. Das führt dazu,
dass eine thermokonditionierte
Probenahme mit Verdünnungsstufe
erforderlich ist. Das Prinzip der
Vermischung von CAST-Rußpartikel
und Verdünnungsluft blieb erhalten,
jedoch wird nun die Probe aus der
Kanalmitte, strömungsparallel mit
Abbildung 3: Finale Ausbaustufe der Aerosolkonditionierung
dem Aerosolstrom entnommen. Die
Vergrößerung des Teilausschnittes der
rechten Bildseite in Abbildung 3 zeigt die Probenahme im Halbschnitt. Zum Einsatz kommt ein
Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 4 Millimetern, welches um 90° abgelenkt ist.
Ergebnisse der Modellierung für das Partikelanzahlnormal
Ziel der Modellierung ist wiederum die Darstellung der Massenfraction ξ in axialer- und
verschiedenen radialen Ebenen sowie die Verifikation der experimentell gegebenen Betriebspunkte
und Parameter wie beispielsweise Massenstrom, Massenbeladung und Geschwindigkeit im Kanal
sowie die Austrittsgeschwindigkeit am Ende der Probenahme. In Abbildung 4 ist die Modellierung
des Anlagenteils aus Abbildung 3 in Form eines Konturplots der Massenfraktion ξ in axialer Richtung
gezeigt. Weiterhin wurden Partikelbahnen mit dem Euler/Lagrange-Modell berechnet. Die
Visualisierung des vergrößerten Ausschnitts im Bereich ders Eingangs der Probenahme zeigt neben
weiteren radialen Profilen für ξ die gefilterten Partikelbahnen, die in das Edelstahlrohr hineinlaufen.
Die Untersuchung der Veränderung der Populationsbilanz der Aerosolpartikel beim Durchlaufen der
Strecke ist das Ziel für weitere numerische Simulationen.
Abbildung 4: Kontuplot der Massenfraktion ξ in axialer Richtung (oben). Die Flussrichtung ist von links nach rechts.
Vergrößerter Ausschnitt im Bereich des Eintritts in die Probenahme mit radialen Profilen von ξ . Einige Trajektorien der
Partikel, die die Probenahme passieren, sind visualisiert (weiß).
Literatur
Lindner, G.; Schmelter, S.; Model, R.; Nowak, A.; Ebert, V., Bär, M. (2015). A Computational Fluid
Dynamics Study on the as Mixing Capabilities of a Multiple Inlet System. Submitted to ASME J. Fluids
Eng.
Kuntze, A.; Hildebrandt, M.; Nowak, A.; Jordan-Gerkens, A.; Bergmann, D.; Buhr, E.; Ebert, V.:
Characterization of a PTB-standard for particle number concentration of soot particles, Conference
on Combustion Generated Nanoparticles: 18. ETH-Conference (2014), Zürich
Hildebrandt, M.; Nowak, A.; Lindner, G.; Jordan-Gerkens, A.; Kuntze, A.; Böse, N.; Ebert, V. (2013).
Development of a German national aerosol standard for validation and calibration of particle
measurement instruments. Combustion Generated Nanoparticles, 17. ETH-Conference, Zürich; [CDROM], Nöthinger.
Nowak, A.; Lindner, G.; Jordan-Gerkens, A.; Böse, N.; Ebert, V. (2012): Developing a national standard
for soot mass concentration and opacity at PTB in Germany. Combustion Generated Nanoparticles,
16. ETH-Conference, Zürich; [CD-ROM], TTM Mayer, ISBN 978-3-033-035556-0.

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